Síntese de Supercapacitores

Com o aumento da demanda energética, fez-se necessário a busca por fontes de energias alternativas, mais limpas, como alternativa as energias fosseis tão usadas atualmente. Assim, o armazenamento de energia e de suma importância para que fontes alternativas entrem em vigor. No laboratório LaFEA (Laboratório de Física Experimental e Aplicada) é realizado o estudo e a síntese de supercapacitores, uma forma promissora de armazenar energia.

Um dos equipamentos mais utilizados para o armazenamento de energia são os do tipo capacitivo. Os armazenadores capacitivos possuem algumas vantagens em relação à outros meios de armazenamento. A principal vantagem é a sua elevada densidade de potência, ou seja, eles conseguem descarregar uma grande quantidade de carga em um tempo muito inferior em comparação a outros meios de armazenamento. Porém os capacitores normalmente usados possuem uma baixa capacidade de carga na ordem de μF a mF. E é nesse ponto onde entra o Supercapacitor, ele possui uma densidade de carga muito maior que os capacitores convencionais podendo chegar a apresentar dezenas ou até mesmo centenas de Farads (F), e ainda manter uma alta densidade de potência. 

Figura 1: Gráfico de Ragone comparando densidade de energia e potência de um Supercapacitor com os principais armazenadores de energia.

As principais razões do Supercapacitor conseguir essa alta densidade de carga é a presença do eletrólito e de materiais mais eficientes como eletrodo. Nos Supercapacitores o dielétrico é substituído por um eletrólito, que pode ser definido como um composto ou substância que em solução é capaz de formar íons (cátions e ânions), esses íons são espécies portadoras de cargas capazes de promover uma condução iônica . Outro fator que influência na capacidade de carga de um Supercapacitor é o material que irá servir de eletrodo. Normalmente os eletrodos são preparados com materiais de alta área superficial e porosidade, onde se destacam materiais constituídos de carbono, polímeros condutores e óxidos de metais de transição (geralmente usados no caso de pseudocapacitores).

Os Supercapacitores podem ser divididos em três modelos: Capacitor de dupla camada elétrica, Pseudocapacitor e Hibrido. O Hibrido é a junção das características do Capacitor de dupla camada elétrica com Pseudocapacitor. 

Armazenam energia na forma eletrostática pela formação de uma dupla camada elétrica, possui dois eletrodos, confeccionados a partir de materiais porosos e um separador embebido com um eletrólito. O efeito da dupla camada elétrica e feito a partir do acúmulo de cargas nos eletrodos devido ao acúmulo de cargas presente no eletrólito o que permite que os íons transmitem na solução gerando um acréscimo de cargas, gerando um carregamento e descarregamento e assim um fluxo de corrente elétrica. Os capacitores de dupla camada apresentam uma densidade de potência maior que os pseudocapacitores devido ao acúmulo de cargas.

Figura 2: Ilustração da formação da dupla camada elétrica pelo acúmulo de cargas na superfície do eletrodo e nos poros do revestimento 

O pseudocapacitador armazena energia a partir de transferências faradaicas de cargas devido ao comportamento de redução e oxidação na combinação dos eletrodos. Os pseudocapacitores apresentam uma alta densidade de energia e uma capacitância especifica maior comparados aos capacitores de dupla camada.

Já os supercapacitores híbridos apresentam o armazenamento de energia simultaneamente de forma eletroestática como ocorre nos EDLCs e por reações de redução e oxidação como ocorre nos pseudocapacitores. 

O primeiro passo na confecção dos Supercapacitores é a escolha do material que será usado como eletrodo. No LaFEA é utilizado materiais derivados do carbono, como fibra de carbono e tecido de carbono, o principal diferencial desses materiais é a sua alta densidade de área e porosidade, características indispensáveis para um material que será utilizado como eletrodo. Além disso esses dois materiais possuem alta flexibilidade o que aumenta a diversidade de aplicações.

Figura 2: Eletrodo de Tecido de carbono utilizado em um dos experimentos no LaFEA

No LaFEA os Supercapacitores fabricados trabalham de forma hibrida. Em alguns supercapacitores, o armazenamento de carga é complementado por uma carga faradaica oriunda de rápidas reações eletroquímicas. Essas reações ocorrem através da transferências de cargas entre o revestimento e o eletrólito (reações de oxirredução), semelhante ao que ocorre nas pilhas e baterias. Normalmente as reações faradaicas ocorrem em toda área superficial do eletrodo, resultando em uma capacitância maior quando comparados aos EDLC. Os revestimentos fabricados são derivados de óxidos metálicos, como níquel, manganês e hexacianoferrato.

Figura 3: Fabricação do material ativo que será utilizado como eletrodo

Após o revestimento ser fabricado ele sempre é analisado pelo FTIR para garantir a qualidade do material. Em seguida o revestimento é aplicado ao eletrodo, posteriormente o eletrodo é colocado para secar em um forno à 100°C por 24 horas. Com o eletrodo pronto as analises começam a serem feitas. No LaFEA as caracterizações são divididas em três etapas, que são: 

Propriedades eletroquímicas:

 1. Voltametria Cíclica; (CV)

2. Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS);

3. Carga/Descarga Galvanostática. (CDG)

Analise estrutural dos materiais:

1. Microscospia Eletrônica por Varredura por Emissão de Campo ( Field Emission Scanning Electron Microscopy – FESEM);

2. Difração por Raio X ( X-Ray Diffraction – XRD);

3. Espectroscopia por Infravermelho usando Transformada de Fourier (Fourier Infrared Spectroscopy – FTIR).

Performance elétrica do eletrodo:

1. Cálculo da Capacitância Específica;

2. Cálculo da Eficiência Coulombiana; 

3. Cálculo da Densidade de Energia; 

Figura 4: Caracterização eletroquímica utilizando o Potenciostato Ivium